(57)【要約】  スタンパー部材の転写性と成形品の寸法精度に優れ、スタンパー部材の長寿命化を図るのに効果的なマイクロ部品製造用金型及びそれを用いたマイクロ部品の製造方法の提供、及び、マイクロ部品の量産性の向上及び金型の組み込み作業性の向上を目的として、スタンパー部材を配設する第１金型と、当該第１金型に対して相対開閉移動可能に配置した第２金型とを備え、第１金型はスタンパー部材を配設するための枠体とベース型とを有し、スタンパー部材表面及び枠体と第２金型とでキャビティを形成し、ベース型はスタンパー部材の裏面を支持する背面部を有し、枠体は前記スタンパー部材の表面側周縁部に位置する表面規制部とスタンパー部材の側部に位置する側壁部とを有し、スタンパー部材の表面側周縁部と前記表面規制部との間及びスタンパー部材の側部と前記側壁部との間に所定のクリアランスを設けたことを特徴とする。
2011083621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタンパー部材を配設する第１金型と、当該第１金型に対して相対開閉移動可能に配置した第２金型とを備え、第１金型はスタンパー部材を配設するための枠体とベース型とを有し、スタンパー部材表面及び枠体と第２金型とでキャビティを形成し、ベース型はスタンパー部材の裏面を支持する背面部を有し、枠体は前記スタンパー部材の表面側周縁部に位置する表面規制部とスタンパー部材の側部に位置する側壁部とを有し、スタンパー部材の表面側周縁部と前記表面規制部との間及びスタンパー部材の側部と前記側壁部との間に所定のクリアランスを設けたことを特徴とするマイクロ部品製造用金型。
【請求項２】
前記第１金型のベース型の背面部は周囲に凹部溝を有する突面部になっていて、前記枠体の側壁部は前記凹部溝に配設され、側壁部の底面が当該凹部溝の底部に当接することを特徴とする請求項１記載のマイクロ部品製造用金型。
【請求項３】
スタンパー部材は脆性材料で製作されたものであることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロ部品製造用金型。
【請求項４】
スタンパー部材は表面に所定の微細な構造を形成したシリコンスタンパーであることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロ部品製造用金型。
【請求項５】
スタンパー部材は表面に所定の微細な構造を形成したＳＯＩウエハであることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロ部品製造用金型。
【請求項６】
スタンパー部材の表面側周縁部と枠体の表面規制部とのクリアランスが０．００５〜０．０５ｍｍの範囲であり、スタンパー部材の側部と枠体の側壁部とのクリアランスが０．０３〜０．０７ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載のマイクロ部品製造用金型。
【請求項７】
成形樹脂材料の物性及び成形条件に対応するように前記クリアランスが調整可能であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロ部品製造用金型。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかの金型を用いて、射出成形又はトランスファー成形したことを特徴とするマイクロ部品の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかの金型を用いて、ポリプロピレンと熱可塑性エラストマーとを配合した樹脂材料を用いて射出成形したことを特徴とするマイクロ部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は表面にマイクロ構造を形成したスタンパー部材を用いて成形樹脂材料に精密転写するのに用いる金型及びこの金型を用いたマイクロ部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  表面に微細な構造を有するマイクロ部品の製造分野においては、スタンパー部材の表面に所定の微細な構造を形成し、このスタンパー部材を金型キャビティ内に組み込み、次に樹脂材料をこの金型内に注入することでスタンパー部材表面の微細な構造を樹脂材料に転写させる方法が採用されている。  この分野で用いられるスタンパー部材は微細構造を設計した原型から電鋳等によりこの微細構造を転写成形した金属製のスタンパー部材が公知であるが、電鋳で得られる微細構造のサイズや精度に限界がある。  そこで、より精密な微細構造を得る手段として、スタンパー部材をシリコン，石英等の単結晶材料や炭化ケイ素，二酸化ケイ素，アルミナ等のセラミックス材料，さらには絶縁膜を内包したＳＯＩウエハ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を用いて製作することが検討されている。  例えば、特許文献１にはスタンパー部材としてシリコンを採用した技術を開示する。  しかし、これら単結晶材料やセラミックス材料は脆性材料に該当し、脆く割れやすい欠点を有し、金型内にスタンパー部材として組み込む際や金型内に樹脂材料を注入し、精密転写する際にこのスタンパー部材が割れ、スタンパー部材の寿命が非常に短い技術的課題があった。  また、たとえスタンパー部材が割れずに金型内に組み込めたとしても射出成形において成形開始から数ショットから数十ショットにてスタンパー部材が割れてしまい、量産に適さなかった。  従来は、例えば特許文献１にも示されているようにスタンパー部材を金型内に接着剤で固着していたが、マイクロ部品等のようにミクロンオーダーの微細構造を成形するには、スタンパー部材の裏面固着精度が悪く、得られる成形品の寸法精度も不充分であった。  さらには、接着剤にてスタンパー部材を金型内に固着するには、熟練した技術が必要であり、成形現場での交換作業が大変であった。【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１５８０３１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  本発明はスタンパー部材の転写性と成形品の寸法精度に優れ、スタンパー部材の長寿命化を図るのに効果的なマイクロ部品製造用金型及びそれを用いたマイクロ部品の製造方法の提供を目的とする。  また、マイクロ部品の量産性の向上及び金型の組み込み作業性の向上も目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】  本発明に係るマイクロ部品製造用金型は、スタンパー部材を配設する第１金型と、当該第１金型に対して相対開閉移動可能に配置した第２金型とを備え、第１金型はスタンパー部材を配設するための枠体とベース型とを有し、スタンパー部材表面及び枠体と第２金型とでキャビティを形成し、ベース型はスタンパー部材の裏面を支持する背面部を有し、枠体は前記スタンパー部材の表面側周縁部に位置する表面規制部とスタンパー部材の側部に位置する側壁部とを有し、スタンパー部材の表面側周縁部と前記表面規制部との間及びスタンパー部材の側部と前記側壁部との間に所定のクリアランスを設けたことを特徴とする。  ここで、所定のクリアランスとは、スタンパー部材の表面側周縁部又は／及び側部と枠体とが圧接しないように隙間を設けたことをいい、クリアランスは０．００１〜０．１ｍｍの範囲が好ましく、より好ましくはスタンパー部材の表面側周縁部と枠体の表面規制部とのクリアランスが０．００５〜０．０５ｍｍの範囲であり、スタンパー部材の側部と枠体の側壁部とのクリアランスが０．０３〜０．０７ｍｍの範囲である。【０００６】  本発明にあっては、第１金型のベース型の背面部が周囲に凹部溝を有する突面部になっていて、枠体の側壁部は前記凹部溝に配設され、側壁部の底面が当該凹部溝の底部に当接するようにしてもよい。  本発明にあっては枠体をベース型に、例えば、図１１に示すようにボルトのみにて固定してもよいが、上記のように第１金型の背面部周囲に凹部溝を形成すると次のような利点がある。  枠体の側壁部の底面が当該凹部溝の底部に当接することにより、枠体の位置決めが容易で安定する。  また、枠体の交換作業も容易になる。  ボルトのみでは成形時の金型開閉の衝撃によりボルトに緩みが生じ、最悪の場合に枠体の位置がずれたり、最悪の場合にボルトの破損により枠体が落下する場合がある。【０００７】  上記の金型構造はスタンパー部材が割れやすい脆性材料である場合に特に有効である。  ここでスタンパー部材は単結晶のシリコンを用いて製作したものであり、表面に所定の微細な構造を形成したシリコンスタンパー又ＳＯＩウエハであってもよい。  シリコンスタンパーはフォトレジストとエッチング処理等により、表面に各種微細な凹凸形状や溝形状を精度高く製作するのに適している。  ＳＯＩウエハは、下層からシリコンウエハ、ＳｉＯ２層、シリコンウエハの三層構造である。  このＳＯＩウエハの表面にミクロンサイズの凸凹を形成する方法は、表面にレジストパターンをマスクとして形成し、ボッシュプロセスと呼ばれる手法により、シリコンウエハをエッチングする。  エッチングによりシリコンウエハは高速にエッチングされるが、ＳｉＯ２層はほとんどエッチングされない。  従って、シリコンウエハがその厚み方向にエッチングされ、エッチングされた部分がＳｉＯ２層にまで到達すると、エッチング工程は終了することになる。  即ち、この方法では、ＳｉＯ２層がエッチングストッパとして機能しており、凸凹の高さはシリコンウエハの厚さに依存し、極めて高い精度の凸凹を製造することができる。  従来方法は、シリコンウエハの１層構造であり、表面に形成するレジストパターンの厚さや、ドライエッチングでの���ッチング照射時間などによって凸凹の高さを制御していたが、この方法では高精度の凸凹を再現よく得ることは困難であった（高さブレが発生していた）。  例えば、ある検出装置において、試験部分となる溝の深さを４ミクロンとしたいときに、±０．５ミクロンの誤差が発生することがあり、高さ方向に対して±１２．５％のブレが生じるため、検出装置の検出精度が大きく低下することがあった。  その他には石英，炭化ケイ素，二酸化ケイ素，アルミナ等の材料を用いることができる。【０００８】  これらの金型を用いて熱可塑性樹脂材料を原料として、射出成形やトランスファー成形すると生産性が高く、マイクロ部品の低コスト化に寄与する。【０００９】  本発明において、マイクロ部品とは医療、生化学、電気化学、電気工学、分析化学等の多くの分野にて用いられる微細構造を有する各種マイクロ部品を含み、例えば、マイクロアレイ、マイクロタス、マイクロリアクター等をいう。  より具体的に例を挙げると、マイクロアレイとは、数μｍ〜数十μｍ（例えば、５μｍ〜９０μｍ）の微細な凹部を整列させたマイクロチップをいい、マイクロタスとは、基板上に溶液ないし気体が流れる微小な溝（マイクロチャンネル）のネットワークを作成し、生化学の操作や検出を１枚のチップ上に集積化、小型化したマイクロチップをいう。また、マイクロリアクターとは、数μｍ〜数百μｍ（例えば、５μｍ〜２００μｍ）の微小な流路によるマイクロ空間内の現象を利用した化学反応、物資生産のための混合、反応、分離などを可能にしたマイクロチップをいう。近年は、医療や分析化学のみならず、燃料電池等の電気化学分野での利用が進展している。【００１０】  また、本発明において用いることができる熱可塑性材料に特に制限はない。  例えば、ポリプロピレン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、シリコーン樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリメタクリル酸エステル、含フッ素樹脂等が挙げられる。  更に、ポリプロピレン系樹脂としては、ホモポリマー又は、エチレン、ブテンー１、ヘキセンー１などのα―オレフィンを含むランダムコポリマーを用いることができる。  熱可塑性エラストマーとしては、ポリスチレン系とポリオレフィン系のものがあり、ポリスチレン系のものは、スチレン、α−メチルスチレン、ｏ−メチルスチレン、ｍ−メチルスチレン、ｐ−メチルスチレン、２，４−ジメチルスチレン、ビニルナフタレン、ビニルアントラセンのうちから選択された１種又は２種以上のビニル芳香族化合物をモノマー単位として構成されるポリマーブロックが挙げられる。  また、ポリオレフィン系のものは、エチレンと炭素数３〜１０のα−オレフィンの共重合体がある。  更に非共役ジエンが共役重合されていても良い。  特に、ホモポリプロピレンに水添スチレン−ブタジエン系ブロック共重合体または水添スチレン系共重合体を配合したものがマイクロ部品の製造によい。  その中でもポリプロピレン系樹脂と熱可塑性エラストマーを配合したものがマイクロ部品の製造によく、また、本発明に係る金型は材料の粘性や射出条件に合せてクリアランスの大きさを調整するのがよい。
【発明の効果】
【００１１】  本発明においては、スタンパー部材の裏面を第１金型のベース型の背面部や突面部に支持させつつ、枠体でこのスタンパー部材の移動を規制する際に、スタンパー部材の表面側周縁部と枠体の表面規制部との間、スタンパー部材の側部と枠体の側壁部との間に所定のクリアランスを設けたことにより、スタンパー部材を金型内に組み込む際及び樹脂材料を用いて精密転写する際にスタンパー部材が枠体により直接的に衝撃を受けるのをこのクリアランスがあることにより抑えられる。  更に、スタンパー部材の表面側周縁部と枠体の表面規制部との間、スタンパー部材の側部と枠体の側壁部との間に所定のクリアランスａとクリアランスｂを設けたことにより、成形時に樹脂材料から受ける熱量の枠体，ベース金型，スタンパー部材間の差や熱膨張係数差によって、枠体，ベース金型，スタンパー部材の膨張量の違いが発生し、スタンパー部材が枠体，ベース金型に圧迫されて、スタンパー部材の割れが発生するのを防止することができる。  前記のことによってスタンパー部材の寿命が長くなり、生産コストの低減に寄与する。  また、スタンパー部材の移動を枠体で規制したことにより、金型内に接着剤を用いることなく、スタンパー部材を配設できるのでこのスタンパー部材の交換作業も容易である。  さらには、樹脂材料の種類やポリプロピレン系樹脂と熱可塑性エラストマー配合比率を例えば８０：２０，５０：５０，３０：７０と変更した場合に材料の粘性が変わり、枠体とスタンパー部材のクリアランスａが大きいと樹脂材料がバリとして発生したり、また、クリアランスａが小さいとガス抜けが悪く、ショートシット、ガスやけが生じる場合があるが、本発明はクリアランスａを成形現場にて容易に調整できるのでこれらのトラブルに速やかに対応できる。  従って、外気温、材料ロット、材料グレード、成形機の変化・変更にも対応しやすい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る金型の構成断面図を示す。
【図２】第１及び第２金型を型締めし、キャビティを形成した状態を示す。
【図３】樹脂材料を射出成形した状態を示す。
【図４】金型からマイクロ部品を取り出した状態を示す。
【図５】スタンパー部材と枠体とのクリアランスの説明図である。
【図６】金型を分解した際の斜視図を示す。
【図７】微細な凹部を有するマイクロ部品の製品例を示す。
【図８】微細な流路を有する製品例を示す。
【図９】凹部溝のない金型の例を示す。
【図１０】第２金型がフラットの場合の例を示す。
【図１１】第１金型のベース型の背面部の周囲にＬ字溝を設けた例を示す。
【図１２】ライナーを用いてクリアランス調整する場合の例を示す。
【図１３】突面部を入子として交換することによりクリアランス調整をする場合の例を示す。
【符号の説明】
【００１３】１０      第１金型１１      ベース型１１ａ    背面部（突面部）１１ｂ    凹部溝１１ｃ    凹部溝の底部１２      枠体１２ａ    表面規制部１２ｂ    側壁部１２ｃ    キャビティ形成部１２ｄ    側壁部の底面１３      スタンパー部材１３ａ    表面１３ｂ    裏面１３ｃ    表面側周縁部２０      第２金型２１      キャビティ面Ｃ        キャビティＲ      ランナー部
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  本発明に係る金型構造例を以下、図面に基づいて説明するが、これに限定されるものではない。  図１に金型の配列を断面図にて示し、外観斜視図を図６に示す。  第１金型１０と第２金型２０とが相対的に前進及び後退移動し、型締め及び型開き動作をする。  本実施例では第１金型１０がベース型１１、スタンパー部材１３及び枠体１２で構成されている。  ベース型１１にはスタンパー部材１３の裏面１３ｂを支持する突面部となる背面部１１ａを有し、この突面部の周囲に凹部溝１１ｂを有する。【００１５】  枠体１２はスタンパー部材１３の表面（製品面）１３ａ側の表面側周縁部１３ｃに位置する表面規制部１２ａとこの表面規制部１２ａから枠状に且つ、断面略Ｌ字型に延在する側壁部１２ｂを有する。  ベース型１１の背面部１１ａにスタンパー部材１３の裏面１３ｂを支持させ、その上から枠体１２を嵌入させる。  なお、例えば、枠体の側壁部の底面１２ｄとベース型１１の凹部溝１１ｂの底部１１ｃと等をボルト３０で締結してもよい。  この際に、枠体１２の側壁部１２ｂの底面１２ｄが凹部溝１１ｂの底部１１ｃに当接した状態で図５に拡大図を示すように枠体１２の表面規制部１２ａとスタンパー部材１３の表面側周縁部１３ｃとの間にクリアランスａを有し、スタンパー部材１３の側部１３ｂと枠体１２の側壁部１２ｂとの間にクリアランスｂを有するように枠体１２及びベース型１１ａの製作寸法を設定する。  本発明においてはクリアランスａとｂとはａ＝０又はｂ＝０であってもよいが、ａ，ｂの両方ともがａ＝ｂ＝０であってはならない。  ａ＝ｂ＝０であると、スタンパー部材１３を枠体１２とべース型１１に組み込むときに割れやすく、又、割れずに組み込めたとしてもマイクロ部品の成形時に樹脂材料の熱により枠体１２とべース型１１が熱膨張してスタンパー部材１３と干渉し、割れやすくなる。  また、通常の射出成形では許容される金型の切削加工誤差とスタンパー部材の寸法誤差の範囲であっても、脆弱なスタンパー部材を金型に配設する場合にはこのスタンパー部材の割れる要因となっている。  従って、クリアランスａは０．００３〜０．１０ｍｍの間がよく、好ましくは０．００５〜０．０５ｍｍの範囲がよい。  クリアランスａが０．００３ｍｍ未満だとスタンパー部材が割れやすくなり、０．１０ｍｍを超えると、この隙間（ａ）の間に樹脂がバリ等となって入り込む恐れが高くなる。  また、枠体１２の表面規制部の表面の仕上げ面粗さの影響もあり、スタンパー部材の表面側周縁部の重なり方向の平行度は０．００５ｍｍ以内が好ましい。  なお、ベース型１１の背面部（突面部）１１ａはスタンパー部材の支持面となり、ＪＩＳ規格の表面粗さＲｚで１μｍ以内でかつ平行度が０．００５ｍｍ以内が好ましく、凹部溝の深さ寸法もクリアランスａに影響を与えるので所定のクリアランスを確保できるように仕上げることが重要である。更に、凹部溝１１ｂの枠体設置面である底部１１ｃと、枠体１２の側壁部１２ｂの設置面である底面１２ｄもＪＩＳ規格の表面粗さＲｚで１μｍ以内でかつ平行度が０．００５ｍｍ以内が好ましい。  樹脂材料の種類やポリプロピレンと熱可塑性エラストマーの配合比率によっては上記、クリアランスａの調整が必要とな���。  その場合に、図１２に示すように、スタンパー部材１３の裏面に所定の厚みのライナー４０を当てて、例えばバリが出ないようになるまで徐々にライナーの厚みを変える方法がある。  または、図１３に示すように、第１金型のベース型４１１の突面部を入れ子４１１ａとして０．０１ｍｍ単位の高さの違う金型部材４１１ａを多数用意し、クリアランスが最適になるように入れ替え調整する方法がある。【００１６】  一方、クリアランスｂは０．０１〜０．１ｍｍ範囲がよく、好ましくは０．０３〜０．０７ｍｍの範囲である。  クリアランスｂが０．０１ｍｍ未満だとスタンパー部材が割れやすくなり、０．１ｍｍを超えると背面部１１ａに沿って移動しやすくスタンパー部材の芯ずれが大きく、精密転写された製品の基準面に対する寸法精度にバラツキが発生する。  なお、この側部の寸法調整は枠体の側壁部の内面全体で確保する必要はなく、スタンパー部材の側部に面した凸部１ケ所ないし数ケ所で受けてもよい。【００１７】  このようにして第１金型１０を組み込み、第２金型２０を配置すると、図２に断面図を示すようにスタンパー部材１３の表面１３ａと枠体１２と第２金型２０のキャビティ面２１とでキャビティＣを形成することになる。【００１８】  この状態でスプルー部Ｓ，ランナー部Ｒを経由して樹脂を射出成形すると、図３に示すようにマイクロ部品Ｐが得られる。  マイクロ部品Ｐは図４に示すように金型から取り出した後にゲート部Ｇにて切断される。  なお、図７にゲートＧで切断する前の表面に微細な凹部を形成した製品形状例を示し、図８に微細な流路溝を形成した例を示す。  図では分かりやすくするために実際よりも非常に大きくマイクロ構造を表現してある。【００１９】  本発明は枠体１２とスタンパー部材１３との間に所定のクリアランスを設けた点に特徴があり、このような特徴を有する範囲で変形が可能である。また、第１及び第２の金型１０及び２０を部分金型（入り子型）として母型に単独あるいは複数個配置してもよい。  母型に単独あるいは複数個配置することは、以下に示した図９の実施例だけではなくすべての実施例で可能である。  図９にはベース型１１１に凹部溝を設けることなく、フラット面に枠体１１２の側壁部１１２ｂの底面を当接させた例を示す。  図１０には枠体２１２の突出部をなくし、第２金型２２０の合せ面をフラットになるように枠体２１２の表面規制部を形成した例を示す。  製品の肉厚が２ｍｍ以内の場合は、枠体１２の表面規制部の肉厚も薄くなり、強度不足となり、成形時に表面規制部が破損する可能性があるが、製品の肉厚が３ｍｍを超えると第２金型２２０の合せ面をフラットにしても強度不足になることもなく、量産に耐えることができ、金型製作時にもコストダウンとなる。  図１１にはベース型３１１に段差状の突面部３１１ａ（Ｌ字型の溝）を形成し、枠体３１２をベース型３１１に組み込むことなく、枠体３１２をボルト３０で締結した例を示す。
【産業上の利用可能性】
【００２０】  本発明に係る金型はスタンパー部材を内側に組み込み、このスタンパー部材の微細構造を転写成形した樹脂成形品を得るのに適している。  従ってマイクロ部品を必要とする医療、生化学、電気化学、電気工学、分析化学等、多くの分野に適用できる。
【図１】
2011083621.tif 000003
【図２】
2011083621.tif 000004
【図３】
2011083621.tif 000005
【図４】
2011083621.tif 000006
【図５】
2011083621.tif 000007
【図６】
2011083621.tif 000008
【図７】
2011083621.tif 000009
【図８】
2011083621.tif 000010
【図９】
2011083621.tif 000011
【図１０】
2011083621.tif 000012
【図１１】
2011083621.tif 000013
【図１２】
2011083621.tif 000014
【図１３】
2011083621.tif 000015
【国際調査報告】
2011083621.tif 000016
2011083621.tif 000017
2011083621.tif 000018
2011083621.tif 000019